硅黄铜微观组织观察与成分分析

硅是自然界分布最广的元素之一-，硅在地壳中的量占地壳总量的25. 8% ,在地壳中的丰度仅次于氧,居第二位。而且硅的锌当量为10,在原有普通黄铜的基础上添加少量的硅就会使铜锌二元相图向左偏移，使合金中a相消失,进人β+γ两相区。由于Y是硬而脆的相且通过处理可以弥散分布在黄铜中，Y相在合金中起到硬质质点的作用，当切削车刀与Y相质点相遇时，切屑会自行断裂，无铅易切削黄铜的研制成功就有可能实现。但是由于β相的低温塑性要低于a相,而且β和Y相的膨胀系数相差很大，在两相的相界面很容易产生微裂纹，不可避免地影响(β+ r)两相黄铜室冷加工性1能11.1.镍元素可以在铜中无限固溶,而硅元素在铜中的固溶度却很小，但是在铜中镍与硅会急剧化合，故在铜中只需要添加少量的镍与硅就会形成Ni,Si或NiSi:等富集镍硅的硬质小颗粒。在普通黄铜中形成这样的硬质小颗粒会起到很好的断屑效果。

本实验在HPb59-1铅黄铜基础上去除了有害的铅，研究了添加少量的镍元素和硅元素后合金的微观结构的变化，并且对合金中各个相特别是富集镍和硅的第二相硬质小颗粒进行了成分分析。

1、实验

实验采用纯度大于99. 9%的金属作为原料,分别制备了4种Cu-Zn-Si-Ni合金(合金实际成分见表1),在配制合金时加入了0.06%的La,但在铸锭的成分检测时没有检测出该元素,这是因为这些La作为变质剂,在合金熔铸时起到除气的作用，在熔炼扒渣时被除去。为了便于成分控制,在熔炼具体合金前,将易熔的La和熔点较高的Si分别制成Cu-La中间合金和Cu-Si中间合金，同时为了减少熔炼时锌等原料的过多烧损,将所加入的纯锌全部采用铜皮进行包裹。熔炼温度为1250 C左右，然后浇铸成尺寸为中80 mmX 200 mm的铸锭,在挤压机上把铸锭挤压成φ16的圆棒，挤压温度为850 C。

显微组织观察在M205光学金相显微镜.XL300扫描电镜(SEM)和H800型透射电镜(TEM)下进行，光学显微镜和扫描电镜的试样用金相腐蚀剂(FeCl:2 g,浓HCl:3 mlL,乙醇:96 mL)进行腐蚀。透射电镜样品经过双喷减薄,电解液的配方为20%硝酸+80%乙醇。

2、结果与分析

图1为合金的横向20倍显微组织,图中大块的白色为a相.灰黑色为β相。从图1中可以看出,随着硅含量的增加,a相逐渐减少,这是由于硅具有较高的锌当量，它的加入使得铜锌二元相图向左偏移，致使在4个样品中虽然铜和锌的含量基本一致,但是随着硅含量的增加合金中a相逐渐减少，β相逐渐增多。在热挤压温度850 C下，金相显微镜观察时由于放大倍数的原因只观察到了a和β相,但在SEM中观察到了在合金中除了a和β相外，还弥散分布着一些细小的颗粒。合金热挤压温度为850 C,在挤压前，将合金送人加热炉进行加热,并且保温2 h,在此温度下合金中各种元素可以充分扩散。由于Si元素和Ni元素在铜中的亲和力较大,在此时充分扩散和化合生成小颗粒状化合物，并从基体上析出。对试样进行面扫描可以清楚看到这些小颗粒的存在,这些小颗粒的尺寸在0.1~1 pm之间，并且随着硅含量的增加，试样中小颗粒相增加(图2)。

为了更好地确定合金中各种组织的成分，利用SEM对试样进行了能谱分析(图3)。对试样的SEM能谱分析发现，在图3(a)的1处铜与锌的原子数比值大约为63 : 35.所以该处的组织为a相;图3(b)的2处铜与锌的原子数比值接近1. 05: 0.95,可以基本确定该处为β相.并且从图2中可以看出这两相主要是以铜和锌两种元素构成,其中固溶少量的镍元素和硅元素，此外并没有发现其他元素在其中固溶。对图3(e)中小颗粒的能谱分析发现,这种小颗粒是与a和β相完全不同的新相,其中富集着Si和Ni两种元素，铜和锌的含量较a相和β相都少很多,还含有少量P，说明磷容易聚集在小颗粒中,其中还含有Fe元素，可能是熔炼时仪器上所带的。

在这种小颗粒中镍与硅的原子数之比接近3: 5,从原子数之比来看这种化合物并不是已知的NiSi和Ni;Si,出现这种情况可能有以下两个原因:(1)在硅黄铜中镍与硅的化合会产生新的化合物:(2)也有可能是因为这个小颗粒很小，在打能谱时扫到的不只是小颗粒相，而是还有一部分基体相的成分也被计算在内，所以造成了以上的偏差。

为了更加准确地了解小颗粒相的成分，对试样进行了TEM观察和分析。图4为小颗粒相的街衬和街射照片,可以看出该颗粒尺寸在400~ 500 nm,与扫描电镜下观察到的小颗粒尺寸基本致，可以确定该颗粒就是扫描电镜下观察到的富集镍硅元素的小颗粒。图5为该小颗粒的能谱图和成分表，可以看出在该小颗粒相富集着镍和硅元索，同时用TEM能谱与SEM能谱比较可以看出，在TEM能谱中铜与锌的含量比SEM能谱降低了很多，所以基本可以判断出SEM能谱的确包含了一些基体组织的成分，不是很准确。在TEM能谱中镍和硅的原子数之比接近5: 2,这与NisSi中镍和硅的原子数之比接近，并且从图4(b)该小颗粒相的街射照片可以看出，该小颗粒相也是一个有序结构,这点也与NiSi相相同,所以可以基本确定在硅黄铜中产生的新相为NisSi相。

3、结论

(1)在硅黄铜中由于硅的锌当量的影响，随着硅含量的增加，合金中a相逐渐减少,β相逐渐增多。

(2)在硅黄铜在热轧后会出现大量第二相小颗粒，并且随着硅含量的增加，小颗粒相的数目也增加。

(3)通过对小颗粒相的能谱分析发现该小颗粒为有序的NiSi相。